生物质气化技术及进展

广东化工2011年第3期26.www.gdchem.com第38卷总第215期生物质气化技术及进展陈起朋，曾显华，胡林顺，尹荔松(五邑大学分析测试中心，广东江门529020)[摘要]能源和环境的双重压 力使得可再生清洁能源的开发利用越来越重要。生物质能是地球上重要的可再生能源，具有广阔的发展前最。我国有着丰富的生物质资源，开发和利用生物质能源对于缓解我国能源、环境及生态问题都具有重要的意义。文章介绍了生物质气化技术的原理及研究进展，分析了气化过程中存在的主要问题，并指出了气化技术的研究方向。(关键同生物质:气化;进展中图分类号]TQ[文献标识码]A|文章编1007-18651011030026-02Biomass Gasification Technology and its DevelopmentChen Qipeng, Zeng Xianhua, Hu Linshun, Yin Lisong.(Instrumental Analysis & Research Center, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)Abstract: Because of the dual pressure of the energy and environment, the exploiation and uiliation of the renewable and clean energy sources are becomingmore and more important. Biomass energy is an important and renewable energy resource on carth, which had a broad prospect of development. Our country hadabundant biomass resources. exploitation and uilization of biomass sources is of grcat significance for softening the problems of energy. environment and ccology.In the paper the principles and developments of biomass gasifcation tchnology were briefly ittoduced. The problems existed in the gasificarion process wereanalyzed. The research directions of gasificaion tehnology were proposed.Keywords: biomass; gasification; development能源是经济和社会发展的重要物质基础。随着石油和其他了气化剂，使生物质发生部分燃烧，从而为气化过程提供了大化石能源的日渐枯竭和全球对气候变化问题的日益关注，节约量的热量，属于自供热源工艺。目前关于氧化法气化技术的研能源、提高能源利用率和开发利用可再生能源成为世界能源发究较多展的主要方向。生物质能是地球上丰富的可再生能源，是仅次在氧化法气化工艺中，生物质原料基本上要经过氧化、还于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源原、裂解(热解)和干燥四个阶段，其主要的反应方程式如下:"，是具有广泛应用价值的清洁能源，是解决能源和环境危机氧化阶段: C+O2二= = CO2+ 393.51kJ的重要保障。自20世纪70年代开始，生物质能的开发和利用日2C+ O2=2CO + 221.34 kJ益受到各国的高度重视，我国于2008年3月18日出台的《可再2C0+O22CO2+565.94 kJ生能源发展“十一五”规划》确定了生物质能利用的指导方针2H2+O2: 2H20+483.68kJ和发展目标，为我国发展和使用生物质技术指明了方向和道还原阶段: C+CO2=2CO- 162.41 kJ路H2O+CCO+ H2- 118.82 kJ我国生物质种类形态繁多，其转化方式也多种多样，其中2H2O+C =CO2+ 2H2- 75.24kJ生物质气化技术是最具实用性的一种。生物质气化技术原理简H2O+CO =CO2+ H2- 43.58 kJ单，操作方便，成本低，效率高，可在工农业生产的各个领域2常用气化工艺及设备广泛的使用。2.1 常用气化介质及特点1生物质气化基本原理生物质挥发份高，固定碳含量低，活性强，而且含S、N生物质气化技术按原理可分为热解气化技术和氧化法气等有害元素极少，所以非常适合于气化。目前生物质气化的常化技术。热解气化技术是指在没有氧化剂的条件下，快速升温用气化介质有空气、氧气、水蒸气等以及这些气体的混合物。使生物质中的有机高分子(纤维素、半纤维素、木质素等)高温这些不同的气化方式都有各自的优缺点，其中空气水蒸气气裂解成固态炭、可燃气和生物油的热化学转化技术。三种产物化结合了空气气化设备简单、操作维护简便以及水蒸气气化气的比例跟热解的工艺(升温速率、气相滞留时间、压力等)有关，中H2含量高的优点。详见表17。其生产过程需要外供热源。氧化法气化工艺在生产过程中加入表1常用气化介质及特点Tab.1 The common gasification medium and its characteristics气化介质外供热源气体属性产气HCO摩尔比特点空气不需要低热值，约5 MJ/m’1:2设备简单、操作维护简便中热值，约15 MI/m’1:1纯氧成本高水蒸气需要中热值，约17~21 MI/m'需要蒸汽发生器和过热设备，技术复杂空气(氧气)水燕气不需要中低热值， 约115 M/m'3: 1成本路高2.2常用气化设备及特点为上吸式、下吸式、横吸式和开心式气化器，目前较为成熟的目前,常用的生物质气化炉主要有固定床气化炉和流化床气化反应设备主要是前两种炉型。表2是两种炉型的主要特点气化炉两种。2.2.1固定床气化炉2.2.2流化床气化炉固定床气化炉设备简单、热效率高，处理量小，适合中、流化床气化炉具有物料混合均匀、反应速度快、反应温度小规模的工业化生产。在固定床气化炉中，物料相对于气流处均匀、传热传质系数高、能连续工作、生产能力大等优点，但于静止状态，根据气化剂在炉内的走向，固定床气化器可以分其对原料粒径要求严格，可燃气灰分含量较多、焦油含量高、[收稿日期2010-12-27[作者简介1陈起朋(1983-)， 男，湖北江陵人，在读硕士研究生，主要研究方向为生物质能源开发利用。2011年第3期广东化工第38卷总第215期www.gdchem.com.27出口温度高等。流化床气化炉可分为单流化床气化炉、循环流大、系统较难控制、投资大，适合于大规模的发电、供热9。化床气化炉、双流化床气化炉等。流化床设备复杂、技术难度表2两种固定床气化炉型的特点Tab.2 Characteristics of the two kinds of fixed bed gasifiers气化炉型气流走向炉内气压连续进料炉排焦油含量热值上吸式与原料移动方向相反微正压不能炉排受到进风的冷却，不易损坏偏高下吸式与原料移动方向相同微负压能炉排处于高温区，容易损坏低偏低3生物质气化技术发展状况利用技术有着广阔的发展前景。虽然我国生物质气化技术已经1839年第一台气化炉就已问世,但生物质热解气化技术较取得了较大进展，但仍有很多不足之处，结合国内相关技术的大规模应用则是始于20世纪30、40年代。第二次世界大战后，发展趋势，以后需在以下几个方面加强研究。几乎所有发达国家的能源结构都转向以石油为主，使生物质气(1)优化生物质气化炉结构， 进一步抑制焦油的产生或将化技术在较长时期内陷于停滞状态。从70年代初开始，受石油焦油裂解，尽量降低燃气中焦油的含量，减轻燃气后处理的负危机影响，西方各个国家出于能源和环境战略的考虑，纷纷投(2)加强气化装置辅助设备的研究，通过对燃气成份、温入大量人力物力,进行可再生能源的研究，使得生物质气化这度、料层高度等参数的监测，实现气化过程的自动控制;一技术焕发生机生物质气化技术伴随着气化装置的改造而发展。目前国外(3)加强燃气净化装置的研究，形成配套合理、运行方便、生物质气化装置一般规模较大,自动化程度高，工艺复杂，造经济可靠的气化机组。价较高。美国在利用生物质能发电方面处于世界领先地位，其参考文献.建立的Btelle生物质气化发电示范工程代表生物质能利用的[1]周中仁，吴文良，生物质能研究现状及展望[D].农业工程学报，2005,世界先进水平1101。UTin Win设计的户用气化炉对稻壳可以进21: 12-15.行高效无烟燃烧，并且各种厨房垃圾如土豆皮、菜叶等均可以[2]骆伟峰，王红林，陈砺，等.下吸式固定床气化木薯茎秆试验研究[].广作为原料和稻壳-起参与气化反应。国内生物质气化技术在20世纪80年代后有了较快发展。80东化工，2008, 35(6): 13-16.年代初期，我国研制了固定床气化器和内燃机组成的稻壳发电[3]王建楠，胡志超，彭宝良，等。我国生物质气化技术概况与发展[).农机组。90年代中期，中科院广州能源所进行了流化床气化器的机化研究，2010, 1: 198-202.研制，并与内燃机结合组成了流化床气化发电系统。我国小型[4)郑昀，邵岩，李斌。生物质气化技术原理及应用分析[J].区域供热, 2010,气化炉的研究开发也在逐步发展，形成了多个系列的炉型。如[5]王武林，生物质气化技术及焦油净化方法[].农机化研究，2010, 4:3: 39-42.云南省研制的QL-50、60型户用生物质气化炉，中国农业机械化科学研究院研制的ND系列生物质气化炉;中科院广州能源[6]徐庆贤，谢建，张无敌，等，云南省生物质气化技术研究现状[].可再所研制出的GSQ型气化炉等间。部分学者对气化炉也进行了生能源，2004, (4): 66-68.-一些改进。如王中贤门等人在生物质气化中引入高温热管技[7]刘广青，董仁杰，李秀金。生物质能源转化技术(M].北京:化学工业术，开发出了一种间接供热的热管式生物质气化炉。谭季秋网等人将原生物质气化炉的手动控制改为自动控制，引入PLC控出版社，2009: 184-197.制器，给出了系统硬件设计及软件结合的方法，解决了气化炉[8]张建安，刘德华。生物质能源利用技术[M].北京:化学工业出版社,手动控制阀多、控制过程繁杂、操作人员专业水平要求较高的[9]刘荣厚。生物质能工程(M]。北京:化学工业出版社，2009: 214-235.2009: 40-50难题。朱华炳等人根据生物质气化原理，设计出了一种产[10]田成民。我国生物质气化技术研究概况[]。化工时刊，2004，18(12);:气热值高和焦油含量低的内燃加热式气化炉。刘春生等入9-21.根据气化原理对上吸式气化炉进行了改进，设计了- .个适合农[11]Bhattacharya s C, Augustus L M. Prospeets forbiomass gsfiers for户使用的小型生物质气化系统。4生物质气化技术主要存在问题cooking applications in Asia[J]. Thailand, Asian Institute of Technology,2005: 3-8生物质气化技术的发展已有一百多年，尽管目前已经进入[(12]李鹏，王维新，吴杰，等。生物质气化及气化炉的研究进展[].新疆商业阶段，但是尚有一些核心技术没有解决，最突出的问题是农机化，2007, (3): 46-48.焦油的净化。焦油是气化过程中不可避免的一种副产物，其不[13]王中贤，张红，于红梅，等.热管式生物质气化炉的研究[].石油化仅会降低气化效率，污染环境，而且会堵塞管道，影响设备的工，2008， 37(2): 127-131.正常运行。目前焦油的解决方法主要有水洗、过滤、电捕和裂[14]谭季秋，宋晓波，朱培立，等.生物质气化炉智能控制器设计[J].湖解等。在气化过程中如何降低焦油的含量，是生物质气化技术南I程学院院报，2010, 20(2): 20-23.中的一个重要研究课题[15)朱华炳，胡孔元，陈天虎，等。内容燃加热式生物质气化炉设计[J].农我国有关学者在焦油处理方面进行了大量研究,如吴正舜业机械学报，2009, 40(2): 96-102.[8)等人以谷壳气化过程中产生焦油为研究对象，通过GC-MS[16]刘春生.小型生物质气化系统的设计与性能实验研究[D].江苏:江苏对焦油成份进行了分析，重点考查了不同温度对焦油组成的影大学工程热物理，2008.响，从而为焦油催化裂解催化剂的开发指明了方向。鲍振博9[17]张长森，张瑞芹，生物质燃气中焦油的催化转化脱除研究[)].安徽农等人分析了生物质气化气中焦油物理净化方法(旋风分离、湿，比业科学，2010, 38(2): 874-876.式净化、干式净化)和化学转化方法(催化裂解和高温热解),[18]吴正舜，米铁，陈义峰，等.生物质气化过程中焦油形成机理的研究较不同了焦油处理方法的优、缺点及工程应用。张存兰叫选切，太阳能学报，2010，31(2): 233-236.用不同的吸附剂，比较了不同吸附剂对生物质气化焦油的去除[19]鲍振博，刘玉乐，靳登超，等。生物质气化气中焦油的处理方法[1].畜效果，结果表明锯末吸附法具有原料易得、操作方便、吸附率牧与饲料科学，2010, 31(3): 196-197.高等优点。目前焦油热裂解与催化裂解研究获得- - 定的进展，(20]张存兰。不同吸附剂对生物质气化焦油去除效果的影响[J].安徽农业但距实用仍有一段距离，因此，要彻底解决焦油问题，还应加科学，2009, 37(18): 8663-8665.大力度研究以获得一种经济 实用的处理焦油的方法。5建议(本文文献格式:陈起朋，曾显华，胡林顺，等.生物质气化我国是一一个农业大国，有着丰富的生物质资源，生物质能技术及进展[J].广东化工，2011, 38(3): 26-27)